(57)【要約】【課題】微小流路内を流れる粒子を個別に検出でき、かつ、微小流路内の複数の箇所で粒子を検出することができる粒子検出センサを提供する。【解決手段】光源と、光源に接続され、複数の光ファイバ１ａより構成される第１光ファイバ群と、第１光ファイバ群から出射する光を受光する複数の光ファイバ１ｂより構成される第２光ファイバ群と、第２光ファイバ群に接続され、第２光ファイバ群で受光された光の光量変化に基づいて、微小流路３を流れる粒子を検出する第１検出器とを備え、第１光ファイバ群は、微小流路３内に光を出射可能な位置に設けられ、第２光ファイバ群は、第１光ファイバ群と微小流路３を挟んで対向する位置であり、かつ第１光ファイバ群を構成する複数の光ファイバ１ａから出射する光を第２光ファイバ群を構成する複数の光ファイバ１ｂがそれぞれ受光することができる位置に設けられている。【選択図】図１
2010190803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を流れる粒子を検出する粒子検出センサであって、
粒子が流れる流路と、
第１光源と、
前記第１光源に接続され、複数の光ファイバより構成される第１光ファイバ群と、
前記第１光ファイバ群から出射する光を受光する複数の光ファイバより構成される第２光ファイバ群と、
前記第２光ファイバ群に接続され、前記第２光ファイバ群で受光された光の光量変化に基づいて、前記流路を流れる前記粒子を検出する第１検出器とを備え、
前記第１光ファイバ群は、前記流路内に光を出射可能な位置に設けられ、
前記第２光ファイバ群は、前記第１光ファイバ群と前記流路を挟んで対向する位置であり、かつ前記第１光ファイバ群を構成する前記複数の光ファイバから出射される光を前記第２光ファイバ群を構成する前記複数の光ファイバがそれぞれ受光することができる位置に設けられている
粒子検出センサ。
【請求項２】
前記第１光ファイバ群及び前記第２光ファイバ群のそれぞれは、シート状に配置された複数の光ファイバを含む
請求項１記載の粒子検出センサ。
【請求項３】
前記第１光ファイバ群及び前記第２光ファイバ群のそれぞれは、シート状に配置された複数の光ファイバの層を複数含む
請求項１記載の粒子検出センサ。
【請求項４】
前記第１光源は、前記第１光ファイバ群を構成する前記複数の光ファイバの各々に対し、他の光ファイバとタイミングをずらしながら光を出射、または、一括して光を出射し、
前記第１検出器は、前記第２光ファイバ群で受光された光の光量の変化から、前記第１光ファイバ群と前記第２光ファイバ群との間の流路に生じる光スポットを通過する粒子の位置を特定することを特徴とする
請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
【請求項５】
さらに、
前記第２光ファイバ群に接続された第２光源と、
前記第１光ファイバ群に接続され、前記第１光ファイバ群で受光された前記第２光源からの射出光の光量変化に基づいて、前記流路を流れる前記粒子の、前記流路の奥行き方向の位置を検出する第２検出器とを備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
【請求項６】
前記第１光ファイバ群から前記第２光ファイバ群へ至る光路上に光学素子を備える
請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
【請求項７】
前記１検出器は、カメラを有し、当該カメラにより、前記第２光ファイバ群を構成する各光ファイバで受光された光を撮像することにより、画像を生成し、前記画像中における前記第２光ファイバ群を構成する各光ファイバで受光された光の箇所の面積の時間変化から、前記流路を流れる前記粒子の動きを検出する
請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
【請求項８】
さらに、
前記第１光源から前記第１光ファイバ群へ至る光路上であり、かつ前記第１光ファイバ群から前記第２検出器へ至る光路上に設けられた第１ハーフミラーと、
前記第２光源から前記第２光ファイバ群へ至る光路上であり、かつ前記第２光ファイバ群から前記第１検出器へ至る光路上に設けられた第２ハーフミラーとを備える
請求項５記載の粒子検出センサ。
【請求項９】
さらに、
前記第１光源から前記第１光ファイバ群へ至る光路上であり、かつ前記第１光ファイバ群から前記第２検出器へ至る光路上に設けられた第１方向性結合器と、
前記第２光源から前記第２光ファイバ群へ至る光路上であり、かつ前記第２光ファイバ群から前記第１検出器へ至る光路上に設けられた第２方向性結合器とを備える
請求項５記載の粒子検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流路内を流れる粒子を検出する粒子検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジー分野では、微小流路を基板に形成し、いわゆるベルトコンベア式の流れ作業によりクローニングを自動化する研究が行われている。このようなクローニングの自動化においては、微小流路内を流れる卵子などの粒子を検出することが不可欠である。
【０００３】
微小流路内の粒子を検出する方法としては、粒子を顕微鏡で観察するのが一般的である。
【０００４】
バイオテクノロジー分野では、光ファイバを用いてレーザ光を細胞に照射し、その反射光を分析する装置が開発されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００５】
また、流路に対して斜めに１本の光ファイバを配置し、赤外光を流路に照射することにより、流路を流れる試薬の流量を検出する分注システムが提案されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００６】
微小流路内を移動する細胞を検出する方法として、レーザ光をレンズで絞り込んで微小流路内の細胞に照射し、細胞通過時の光量変化を観測することにより、細胞を検出する方式が提案されている（例えば、非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】斎藤雄太，山川功，数坂昭夫，青柳圭亮，佐々木一正：「光ファイババイオセンサによる代謝酵素検出技術とその食品品質評価への応用」，信学技報，ｖｏｌ．１０５，Ｎｏ．２４２，ＯＦＴ２００５−２５，ｐｐ．４５−４９，２００５−８
【非特許文献２】田口良広，長坂雄次：「マイクロ・ナノスケール熱物性センシング」，日本機械学会誌，Ｖｏｌ．１１１，Ｎｏ．１０７１，ｐｐ．８０−８３，２００８−２
【非特許文献３】長谷川忠大，辻亨之，中嶋謙一郎，生田幸士：「マイクロ分注システムの開発」，第２３回日本ロボット学会学術講演会，２００５−９
【非特許文献４】藤本香織，國松禎明，前泰志，田窪朋仁，新井健生，井上健司，山田真人：「微小流路を移動する細胞の検出機構実装法」，日本ロボット学会誌，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．５，ｐｐ．４６２−４６７，２００８−７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
バイオテクノロジー分野において、光ファイバを用いて試薬、粒子にレーザ光を照射して、その散乱光を検出器に導いて試薬、粒子を分析する装置が開発されている。しかし、これらは個別の粒子を測定、分析することを目的としていない。このため、細胞の融合や分離を行うクローニングの自動化には使用できない。
【０００９】
また、非特許文献４に記載の方法では、レーザ光を照射するためには、レーザ光をレンズで絞り込むために空間を設ける必要がある。また、フォトダイオードなどの検出器を微小流路の外部に取付けるための空間を設ける必要がある。したがって、システムが大型化し、細胞を複数箇所で検出することは困難である。
【００１０】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、微小流路内を流れる粒子を個別に検出でき、かつ、微小流路内の複数の箇所で粒子を検出することができる粒子検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る粒子検出センサは、流路を流れる粒子を検出する粒子検出センサであって、粒子が流れる流路と、第１光源と、前記第１光源に接続され、複数の光ファイバより構成される第１光ファイバ群と、前記第１光ファイバ群から出射する光を受光する複数の光ファイバより構成される第２光ファイバ群と、前記第２光ファイバ群に接続され、前記第２光ファイバ群で受光された光の光量変化に基づいて、前記流路を流れる前記粒子を検出する第１検出器とを備え、前記第１光ファイバ群は、前記流路内に光を出射可能な位置に設けられ、前記第２光ファイバ群は、前記第１光ファイバ群と前記流路を挟んで対向する位置であり、かつ前記第１光ファイバ群を構成する前記複数の光ファイバから出射される光を前記第２光ファイバ群を構成する前記複数の光ファイバがそれぞれ受光することができる位置に設けられている。
【００１２】
この構成によると、第１光ファイバ群と第２光ファイバ群とを流路に対向する任意の位置に配置しているため、粒子通過時の光量変化により、流路（特に、微小流路）内の粒子を任意の位置で複数同時に箇所検出できる。以下の利点がある。（１）微小流路内を流れる粒子の検出位置を任意に設定することができる。（２）微小流路内の複数箇所で粒子の位置を流路方向と深さ方向で検出できる。（３）微小流路内の粒子の検出位置を複数箇所で検出できる。（４）流路の奥行き（幅）方向に亘って位置を検出できる。（５）光学素子を基板上の光路に形成することができる。（６）同時に複数箇所の粒子の位置を検出でき、時間の経過で粒子の動きが分る。（７）粒子の奥行き（幅）方向の位置検出の精度を上げることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る粒子検出センサは、第１光ファイバ群と第２光ファイバ群とを流路に対向する位置に配置しているため、粒子通過時の光量変化により、流路（特に、微小流路）内の粒子を検出できる。粒子検出センサには以下の利点がある。（１）微小流路内を流れる粒子の検出位置を任意に設定することができる。（２）微小流路内の複数箇所で粒子の位置を流路方向と深さ方向で検出できる。（３）微小流路内の粒子の検出位置を複数箇所で精度を上げて検出できる。（４）流路の奥行き（幅）方向に亘って位置を検出できる。（５）光学素子を基板上の光路に形成することができる。（６）同時に複数箇所で粒子の位置を検出でき、時間の経過で粒子の動きが分る。（７）粒子の奥行き（幅）方向の位置検出の精度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る粒子検出センサの平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る粒子検出センサを正面から見たときの、粒子検出センサの内部を模式的に示した図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】粒子検出センサの変形例を示す図である。
【図６】光ファイバ１ａと微小流路３との接触面の付近を拡大した図である。
【図７】光ファイバ１ａと微小流路３との接触面及び微小流路３及び光ファイバ１ｂとの接触面の付近を拡大した図である。
【図８】光ファイバ１ａと微小流路３との接触面及び微小流路３及び光ファイバ１ｂとの接触面の付近を拡大した図である。
【図９】光源と検出器との位置関係を示す図である。
【図１０】図９の一部を模式的に示した図である。
【図１１】光源と検出器との位置関係の変形例を示す図である。
【図１２】図１１の一部を模式的に示した図である。
【図１３】光ファイバ１ａと微小流路３との接触面及び微小流路３及び光ファイバ１ｂとの接触面の付近を拡大した図である。
【図１４】光源と検出器との位置を入れ替えた場合の、光源と検出器との位置関係を示す図である。
【図１５】図１４の一部を模式的に示した図である。
【図１６】ハーフミラーを用いた粒子検出センサの一例を示す図である。
【図１７】方向性結合器を用いた粒子検出センサの一例を示す図である。
【図１８】ＰＤＭＳ基板にレンズが形成された粒子検出センサの一部を模式的に示した図である。
【図１９】ＣＣＤカメラを用いた粒子検出センサの構成の一例を示す図である。
【図２０】各光ファイバの出力をＣＣＤカメラで映した画像図である。
【図２１】時間経過による光ファイバの出力を示す図である。
【図２２】光ファイバ１ａからの照射光と光ファイバ１ｂへの入射光との関係を示した図である。
【図２３】微小流路３内における粒子の位置と、受光側の光ファイバでの受光量の減少率との関係を示した図である。
【図２４】（ａ）は、光ファイバ１ａごとに当該光ファイバ１ａから光を照射した際の照射光の広がりを示す図であり、（ｂ）全ての光ファイバ１ａから光を照射した際の照射光の広がりを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサについて詳細に説明する。
【００１６】
図１及び図２に、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサの全体構成を示す。図１は、本実施の形態に係る粒子検出センサの平面図である。図２は、本実施の形態に係る粒子検出センサを正面から見たときの、粒子検出センサの内部を模式的に示した図である。
【００１７】
図１及び図２に示すように、粒子検出センサは、微小流路３をはさむ形で、シート状に配置された複数の光ファイバ１ａと、シート状に配置された複数の光ファイバ１ｂとを含む。なお、各光ファイバ１ａ（１ｂ）は、微小流路３内を流れる粒子の流れ方向（後述する吸引口４ａから排出口４ｂに向かう方向）に対し垂直に配置されている。
【００１８】
複数の光ファイバ１ａに、複数の光ファイバ１ａに接続された光源（図示せず）から波長６５０μｍの光を照射し、シート状に配置された複数の光ファイバ１ｂに光を集める。ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）２を用いて微小流路３を形成する。微小流路３に吸引口４ａと排出口４ｂを設けてカバーガラス５で覆い、粒子を潤滑液（エチルアルコールと水との混合液）に入れて、潤滑液をポンプで移動させる。なお、微小流路３は、ＰＤＭＳ以外の材料で形成してもよい。また、微小流路３の形状、寸法は、本実施の形態に示す以外のものであってもよい。また、使用する光源の波長は、６５０μｍ以外でもよく、光ファイバを利用可能な透過波長で、複数の光ファイバ１ｂに接続された検出器（図示せず）で粒子を検出可能な波長であればよい。
【００１９】
図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。基板８上に設けられた粘着シート６の上に、複数の光ファイバ１ａをシート状に配置し、接着剤７またはポリマー７ａで覆い固める。また、光ファイバ１ａより出射した光が光ファイバ１ｂで受光できるように、光源側の光ファイバ１ａと検出側の光ファイバ１ｂとの位置を合わせる。なお、光ファイバ１ａより出射した光を光ファイバ１ｂに集光できれば、光ファイバ１ａと光ファイバ１ｂとは、微小流路３に対して傾きがあってもよい。また、粘着シート６と接着剤７とを使用せずに、ポリマー７ａだけで光ファイバ１ａ（１ｂ）を固めてもよい。
【００２０】
なお、図１のＢ−Ｂ断面図は、光ファイバ１ａが光ファイバ１ｂに置き換わる以外、図３と同じである。
【００２１】
図４は、図１のＣ−Ｃ断面図である。基板８を介して光ファイバ１ａと光ファイバ１ｂを連結することにより、上述のように位置合わせを行った光ファイバ１ａ及び１ｂの位置を固定する。これにより、光ファイバ１ａ及び１ｂの位置ずれを防止し、光ファイバ１ｂで受光される光の光量が減少しないようにする。
【００２２】
図５は、粒子検出センサの変形例を示す図であり、図１のＣ−Ｃ断面図である。この粒子検出センサでは、シート状に配置された複数の光ファイバ１ａ及び１ｂを３層構造にしたものである。この粒子検出センサにおいても、光ファイバ１ａ及び１ｂは、接着剤７またはポリマー７ａで固定される。
【００２３】
図６〜図８を用いて、微小流路３内の粒子の流れ方向における粒子の位置を特定する方法の原理について説明する。
【００２４】
図６は、光ファイバ１ａと微小流路３との接触面の付近を拡大した図である。図６に示すように、光ファイバ１ａに開口数０．５（入射角３０°）のＰＯＦ（プラスチックファイバ）を使用する。このとき、光ファイバ１ａからＰＤＭＳ２への光の照射角は１９°となるため、スネルの法則（Ｎ１・ＳＩＮθ１＝Ｎ２・ＳＩＮθ２、Ｎ１；入射屈折率、θ１；入射角、Ｎ２；出射屈折角、θ２；出射角、ＰＤＭＳの屈折率Ｎ１＝１．５１、潤滑液の屈折率Ｎ２＝１．３３）に従って、光ファイバ１ａからは照射角２２°で、微小流路３に光を照射する。光ファイバ１ａの光軸と光ファイバ１ｂの光軸とは共通の軸であり、この軸を、中心軸１２という。
【００２５】
図７は、光ファイバ１ａと微小流路３との接触面及び微小流路３及び光ファイバ１ｂとの接触面の付近を拡大した図である。図７に示すように、光ファイバ１ａを通過する照射光は、微小流路３を直進し、粒子９に当たると、光ファイバ１ｂの集光面１３に影をつくる。粒子９の影は領域１４に粒子９が存在する場合には、光ファイバ１ａのコアに到達する。領域１５に粒子９が存在する場合には、光ファイバ１ｂのコアをはみ出し、隣接する光ファイバのコアに到達する。
【００２６】
例えば、微小流路３の幅が［３００μｍ］、粒子９の直径が１００［μｍ］の時、（１）粒子が集光面１３から２００［μｍ］離れた中心軸１２上にある場合には、集光面１３にできる粒子９の影は、直径２６０［μｍ］となる。また、（２）粒子９が集光面１３から５０［μｍ］離れた中心軸１２上にある場合には、集光面１３にできる粒子９の影は直径１４０［μｍ］となる。
【００２７】
粒子９が非透明の場合、光ファイバ１１ａの受光量は、前記（１）の条件では１００％減少する。（２）の条件では、光ファイバ１１ａのコア径２４０［μｍ］と粒子９の影の直径１４０［μｍ］とから求められる受光面積の比率に相当する３４％減少する。また、粒子９が球形かつ透明の場合、図８に示すように光は粒子９の中心は透過するものの、粒子９の周囲を通過する光は、粒子９の形状が球形のため、粒子９がレンズとして働くことにより、曲げられる。そのため、光ファイバ１ｂの受光量は、約２０〜５０％程度減少することが確認されている。このため、光ファイバ１ｂの受光量は、前記（１）の条件では２０〜５０％程度減少し、（２）の条件では、７〜１７％程度減少する。このような受光量の減少が起こったとしても、受光量は一般的な検出器で測定可能な値である。
【００２８】
このように、受光量の変化を検出することにより、微小流路３内の粒子の流れ方向における粒子の位置を特定することができる。
【００２９】
なお、図５のように、光ファイバ１ａ及び１ｂが多層構造をなしている場合には、図６〜図８を参照して説明した粒子位置特定方法の原理を用いることにより、上下方向における粒子の位置も特定することができる。
【００３０】
粒子９の影の影響により減少した受光量で検出可能であれば、粒子９の大きさは直径１００［μｍ］以外でよく、粒子９は球形以外でもよく材質も問わない。例えば、粒子９は、バイオテクノロジーで扱うような卵子、細胞などでもよい。また、光ファイバ１ａ及び１ｂは、ＰＯＦ以外の光ファイバでもよいし、他の寸法および開口数でもよい。また、光路上にレンズ又は回折格子などの光学素子を配置してもよい。例えば、光路上にレンズを配置することにより光の照射角度を変えることにより、粒子を検出できる範囲を変えてもよい。
【００３１】
図９は、光源と検出器との位置関係を模式的に示す図である。図９に示すように、粒子検出センサが、複数の光ファイバ１ａにそれぞれ光を照射する複数の光源２１ａ〜２１ｃと、複数の光ファイバ１ｂを通過した光の光量をそれぞれ検出する検出器１７ａ〜１７ｃとを含む。なお、光源２１ａ、２１ｂ及び２１ｃには、シート状に配置された複数の光ファイバ１ａが接続される。光源２１ａ〜２１ｃは、互いにタイミングをずらしながら光を照射する。
【００３２】
図１０は、図９の一部を模式的に示した図である。図１０では、複数の光源２１ａ〜２１ｃのうち、光源２１ａのみを示している。光源２１ａから光ファイバ１０ａに光を照射し、微小流路３を流れる粒子９ａが検出領域１４ａに存在する場合には、当該粒子９ａは光ファイバ１１ａで検出される。粒子９ｂが検出領域１５ａに存在する場合には、光ファイバ１１ａ、１１ｂ及び１１ｃの何れかの光量が減少する。ここで、光ファイバ１０ａ〜１０ｃの各々は、光ファイバ１ａと同じものであり、光ファイバ１１ａ〜１１ｃの各々は、光ファイバ１ｂと同じものである。
【００３３】
図１１は、光源と検出器との位置関係の変形例を示す図である。図１１に示すように、粒子検出センサは、１つの光源１０と、複数の光ファイバ１ｂを通過した光の光量をそれぞれ検出する検出器１７ａ〜１７ｃとを含んでいてもよい。図９に示すように、光源１０とシート状に配置された複数の光ファイバ１ａとが接続される。光源１０から光ファイバ１ａを介して微小流路３に光を照射する。照射された光は微小流路３を挟んで反対側にあるシート状に配置された光ファイバ１ｂに集光される。
【００３４】
図１２は、図１１の一部を示した図である。微小流路３への光の照射は、光ファイバ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃから同時に行われる。粒子９ａが検出領域１４ａに存在する場合には、当該粒子９ａは、光ファイバ１１ａで検出される。粒子９ｂが検出領域１５ａに存在する場合、または粒子（図示せず）が検出領域１４ａと検出領域１５ａとの境界に存在する場合には、粒子は光ファイバ１１ａと光ファイバ１１ｂとで検出される。ここで、光ファイバ１０ａ〜１０ｃの各々は、光ファイバ１ａと同じものであり、光ファイバ１１ａ〜１１ｃの各々は、光ファイバ１ｂと同じものである。
【００３５】
なお、図５に示すように光ファイバ１ａ及び１ｂを層状に重ねて配置して、隣接する光ファイバ１ａ及び１ｂの数を増やすことにより、微小流路３の粒子を検出するための領域を増やすことができる。このため、粒子の検出精度を向上させることができる。
【００３６】
また、いずれの粒子検出センサの構成においても、光源１０を光ファイバ１ｂにつなぎ、検出器１７ａ〜１７ｃを光ファイバ１ａにつないで、光を逆方向から照射するようにしてもよい。これにより、粒子の検出精度を向上させることができる。
【００３７】
次に、微小流路３内での、中心軸１２と平行な方向における粒子９の位置を特定する方法について説明する。
【００３８】
図１３は、光ファイバ１ａと微小流路３との接触面及び微小流路３及び光ファイバ１ｂとの接触面の付近を拡大した図である。図１３に示すように、直径Ｄの球形をした粒子９が中心軸１２上で、かつ光ファイバ１ｂから距離Ｘの位置に存在するものとする。光ファイバ１ａより照射された光は、照射角θで微小流路３を直進する。ここで、光ファイバ１ｂの集光面１３にできる影の直径をＤｘとすると、次式（１）が成り立つ。
【００３９】
Ｄ＋２Ｘｔａｎθ＝Ｄｘ                                …（１）
【００４０】
また、光ファイバ１ｂのコア径をＤｃ、微小流路３内に粒子９が存在しない場合に光ファイバ１ｂで受光される光の光量をＰ、微小流路３内に粒子９が存在する場合に光ファイバ１ｂで受光される光の光量をＰｘ、光量の減少率Γを＝Ｐｘ／Ｐとする。Γは、集光面１３にできる粒子９の影の面積Ｓｘと光ファイバ１ｂのコア断面積Ｓｃとの比率に、光ファイバ１ａ及び１ｂ、微小流路３、粒子９等の光路上存在する材質により特定される光の減衰率αを乗じることによっても得られる。したがって、次式（２）が導き出される。
【００４１】
Γ＝Ｐｘ／Ｐ
＝α・Ｓｘ／Ｓｃ
＝α・Ｄｘ2／Ｄｃ2                                  …（２）
【００４２】
式（２）を変形すると、次式（３）が導き出される。
【００４３】
【数１】
2010190803.tif 000003
【００４４】
式（１）を変形すると、次式（４）が導き出される。
【００４５】
Ｘ＝（Ｄｘ−Ｄ）／２ｔａｎθ                       …（４）
【００４６】
式（３）を式（４）に代入すると、次式（５）が導き出される。つまり、光量の減少率Γから光ファイバ１ｂからの距離Ｘを求めることができる。
【００４７】
【数２】
2010190803.tif 000004
【００４８】
なお、式（５）に基づく距離Ｘの算出方法は、粒子の影が１つの光ファイバ１ｂの集光面１３にのみ到達する場合を想定しており、粒子の影が複数の光ファイバ１ｂの集光面１３に到達する場合は想定していない。つまり、図１０又は図１２の検出領域１４ａ内に粒子９（９ａ）が含まれている場合には、距離Ｘを算出可能であるが、それ以外の領域に粒子９（９ｂ）が存在する場合には、距離Ｘを正確に算出することが困難である。
【００４９】
このため、光源と検出器との位置を入れ替えることにより、距離Ｘを算出可能な粒子の検出領域を変化させ、全体として距離Ｘを算出可能な粒子の検出領域を広げることができる。
【００５０】
例えば、図１４に示すように光源１０と検出器１７ａ〜１７ｃとの位置を入れ替える。つまり、光源１０を光ファイバ１ｂにつなぎ、検出器１７ａ〜１７ｃを光ファイバ１ａにつなぐことにより、光ファイバ１ａから粒子９に光を照射する。光源１０と検出器１７ａ〜１７ｃとの位置の入替えによって、微小流路３での集光面１３の位置が光ファイバ１ａ側になる。このため、図１５に示すように、粒子の検出領域１４ｂが、光ファイバ１０ａ〜１０ｃ（光ファイバ１ａ）側に設けられる。このとき、式（５）より、光ファイバ１ａからの粒子９ｂの距離を求めることができる。
【００５１】
つまり、光源１０と検出器１７ａ〜１７ｃとの位置を入れ替えることにより、図１０に示す検出領域１４ａ及び図１５に示す検出領域１４ｂのいずれかの領域に粒子が含まれていれば粒子の位置を正確に特定することができる。これにより、微小流路３内で中心軸１２上に位置する粒子９の位置を正確に検出することができる。すなわち流路の奥行き方向に対する粒子の大きさが分り、流れ方向と深さ方向の大きさも分るので検出精度を上げることで粒子の３Ｄ形状が分る。
【００５２】
なお、図１６に示すように、光源１０と検出器１７ａ〜１７ｃとの位置の入れ替えは、光源１０及び検出器１７ａ〜１７ｃを光ファイバ１ａ側及び光ファイバ１ｂ側の双方に設け、ハーフミラー６を、各光路上に挿入することで可能である。図１６は、一方の側の構成のみを示しているが、他方の側も同様の構成を有する。ハーフミラー１６を用いることにより、光源１０からの出射光を光ファイバ１ａ又は１ｂに導くと共に、光ファイバ１ａ又は１ｂにおいて受光された光を検出器１７ａ〜１７ｃに導くことができる。
【００５３】
また、図１７に示すように、光源１０及び検出器１７ａ〜１７ｃを光ファイバ１ａ側及び光ファイバ１ｂ側の双方に設け、方向性結合器（分岐カプラ）２０を各光路上に挿入することによっても、光源１０と検出器１７ａ〜１７ｃとの位置の入れ替えは可能である。図１７は、一方の側の構成のみを示しているが、他方の側も同様の構成を有する。これにより、光源１０からの出射光を光ファイバ１ａ又は１ｂに導くと共に、光ファイバ１ａ又は１ｂにおいて受光された光を検出器１７ａ〜１７ｃに導くことができる。ここで、光源１０の前面にハーフミラー１６を設けている。ハーフミラー１６は、光源１０から出射する光を通過させ、光ファイバ１ａ又は１ｂにおいて受光された光を遮断する、フィルターとしての役割を果たす。
【００５４】
このように奥行き（幅）方向に対して粒子の位置検出が可能となる。
【００５５】
また、図１８は光ファイバ１ａから光ファイバ１ｂに至る光路上に基板であるＰＤＭＳ２にレンズ２３を形成したところを示す。レンズ２３はＰＤＭＳ２をレンズ形状の型に充填し、熱硬化、型を外すことで製作可能となる。なお、このような製作方法により、レンズ２３以外の光学素子も形成することができる。レンズ２３は、光ファイバ１ａより出射する光を集光する役目、または光ファイバ１ｂに入射する光を集光する役目を果たす。
【００５６】
また、図９および図１１に示す構成の検出器１７ａ〜１７ｃの代わりに、図１９のように、ＣＣＤカメラ２５で複数の光ファイバ１ｂの出力光を同時に撮影し、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２６に画像を取り込んで、各光ファイバ１ｂの出力光の画像面積を時間の経過で測定することで微小流路３内の透過光の変化、すなわち粒子９の動きが検出できる。
【００５７】
図２０はＰＣに取り込んだ画像例を示す。図中のＣｈｎ（ｎ＝１〜８）は、８つの光ファイバ１ｂの面積画像を示している。
【００５８】
光ファイバからの出力光の大きさと、画像の変色箇所の面積は、比例の相関関係があることを実験で確認している。そのため、各時刻で、画像中でファイバ毎に変色箇所の面積を測定すると、図２１のようにファイバ毎の受光量の変化を時系列に示すことができる。
【００５９】
微小流路３を挟んで対向させた光ファイバによる照射光の様子を図２２に示す。微小流路３に屈折率１．３９の潤滑液であるエチルアルコールを満たすと、ＰＯＦ（光ファイバ１ａ）からの照射角１９°の照射光は、ＰＤＭＳで形成された微小流路３の薄肉厚の壁面を通過し、微小流路３内を照射角２２°で広がる光スポットを形成する。また、入射側のＰＯＦ（光ファイバ１ｂ）は微小流路３内で入射角２２°以下で広がる光を受光する。
【００６０】
図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、微小流路３内における粒子の位置と、受光側の光ファイバでの受光量の減少率との関係を示した図である。光スポットとあまり大きさの違わないポリスチレン球の粒子９ａ〜９ｃが光スポットに入ると粒子９ａ〜９ｃが光スポットを遮断し、受光側のＰＯＦの光量が変化する。粒子９ａ〜９ｃの周囲を通過する光は直進するので、粒子９ａ〜９ｃの直径１００［μｍ］とコア径２４０［μｍ］の面積比とポリスチレンの光透過率９０％（粒子の径は不明のため、９０％は平板での数値）を考慮して、受光側のＰＯＦの受光量は約３〜１０％減少するものとして（例えば、粒子９ａによって１０％、粒子９ｂによって５％、粒子９ｃによって３％減少するものとして）、粒子検出センサを設計した。なお、受光側のＰＯＦの受光量の減少量は、あくまでも一例であり、これに限定されるものではなく、他の減少量になるように粒子検出センサを設計してもよい。
【００６１】
次に、図２４（ａ）および図２４（ｂ）に示すように微小流路３に直角に複数のＰＯＦ（光ファイバ１ａおよび１ｂ）がシート状に配置されている。
【００６２】
図２４（ａ）は、各光ファイバ１ａから、他の光ファイバ１ａとはタイミングをずらしながら光を出射する場合について説明する図である。図２４（ａ）に示すように、ＰＯＦ（ｉ）から光を照射すると、幅３００［μｍ］の微小流路３を挟んで対向するＰＯＦ’（ｉ）で受光されるスポットＳ０（ｉ）と、ＰＯＦ’（ｉ）に隣接するＰＯＦ’（ｉ±１）で受光されるスポットＳｍ（ｉ）（ｍ＝±１）とが生じる。ここで、ｍ＝１はｉ番目のＰＯＦ’（ｉ）から上位番号に、ｍ＝−１は下位番号に隣接するＰＯＦ’で受光するスポットを指す。ここで、
（１）粒子９がスポットＳ０（ｉ）（図中の矢印（１））を通過するとＰＯＦ’（ｉ）の出力光量Ｐｏｕｔ’（ｉ）が変化する。
【００６３】
（２）粒子９がスポットＳｍ（ｉ）（ｍ＝±１）（図中の矢印（２））を通過すると、ＰＯＦ’（ｉ±１）の出力光量Ｐｏｕｔ’（ｉ±１）が変化する。
【００６４】
このため、受光側のＰＯＦ（光ファイバ１ｂ）におけるスポットをＣＣＤ２５カメラで撮像し、ＣＣＤカメラ２５で撮像された画像におけるＰＯＦの光量変化から、粒子９のあるスポット位置を判別し、粒子９の動きを検出することができる。
【００６５】
また、図２４（ｂ）は、全ての光ファイバ１ａから一括して光を出射する場合について説明する図である。図２４（ｂ）に示すように、光源からＰＯＦ（ｉ）全体に光を照射すると、微小流路３を挟んで対向するＰＯＦ’（ｉ）は、微小流路３内で最大入射角以下の照射光だけを受光する。したがって、ＰＯＦ’（ｉ）が受光するスポットは対向するＰＯＦ（ｉ）のスポットＳ０（ｉ）とＰＯＦ’（ｉ）に隣接するＰＯＦ（ｉ±１）のスポットＳｍ（ｉ±１）（ｍ＝±１）となる。
【００６６】
（１）粒子９がスポットＳ０（ｉ）（図中の矢印（１））を通過すると、ＰＯＦ’（ｉ）の出力光量Ｐｏｕｔ’（ｉ）が変化する。
【００６７】
（２）粒子９がスポットＳｍ（ｉ）（ｍ＝±１）（図中の矢印（２））を通過すると、ＰＯＦ’（ｉ±１）の出力光量Ｐｏｕｔ’（ｉ±１）が変化する。粒子９がスポットＳ０（ｉ±１）を通過する（１）の場合に対し、スポットＳｍ（ｉ）（ｍ＝±１）の変化分大きく変化する。
【００６８】
（３）粒子９がＰＯＦ（ｉ）のスポットＳｍ（ｉ）（ｍ＝±１）とＰＯＦ（ｉ±１）のスポットＳｍ（ｉ）（ｍ＝±１）とが交差する領域（図中の矢印（３））を通過すると、出力光量Ｐｏｕｔ’（ｉ±１）とＰｏｕｔ’（ｉ）の両方が変化する。
【００６９】
このため、受光側のＰＯＦ（光ファイバ１ｂ）におけるスポットをＣＣＤカメラ２５で撮像し、ＣＣＤカメラ２５で撮像された画像におけるＰＯＦの光量変化から、粒子９のあるスポット位置を判別し、粒子９の動きを検出することができる。
【実施例】
【００７０】
以下のようにして粒子検出センサを構成し、粒子を検出することが可能である。
【００７１】
外径２５０μｍ、コア径２４０μｍの光ファイバ１ａ（プラスチック光ファイバ、三菱レイヨンＣＫ―１０Ｃ）を粘着シート６（０．１ｍｍ）の上に置き、顕微鏡で位置合わせをし、光ファイバ１ａを平行に８本ずつシート状に並べる。光ファイバ１ｂについても同様の処理を行う。また、接着剤７（セメダイン社のフッ素樹脂用接着剤（ＰＰＸ））で光ファイバ１ａ及び１ｂをそれぞれ固定する。
【００７２】
光ファイバ１ａ及び１ｂを向かい合わせに配置して、塩化ビニール板の基板８（０．５ｔ）に接着剤７で固定する。これに微小流路３（幅０．３×深さ０．４５×長さ３０ｍｍ）を作成する型を載せて、ダウコーニング社製のＰＤＭＳ（SYLGARD（登録商標） 184 Silicone Elastomer）を型に充填し、熱硬化する。型を外して紫外線照射によりＰＤＭＳを固化し、吸引口４ａをあけて、カバーガラス５を取り付け、図１〜図４の構造の粒子検出センサ（縦５０×横３０×厚さ１０ｍｍ）を製作し、直径９８μｍの粒子９ａをエチルアルコールの潤滑液に入れてポンプで移動させる。波長６５０μｍ、パワー１８ｍＷの半導体レーザを光源２１ａとして光源と検出器の配置を図９また図１１に従って接続し、粒子の検出を行なう。検出器１７ａは、光パワーメータ、フォトダイオードを使用できる。他に、図１９の構成のようにして、ＣＣＤカメラ２５で複数の光ファイバ１ｂの出力光を同時に撮影し、ＰＣ２６に画像を取り込んで、各光ファイバ１ｂの出力光の画像面積を時間の経過で測定することで微小流路３内の透過光の変化、すなわち粒子９の動きが検出できる。
【００７３】
以上説明したように、本実施の形態によると複数の光ファイバ１ａと複数の光ファイバ１ｂとを微小流路３に対向する位置に配置しているため、粒子９通過時の光量変化により、微小流路３内の粒子９を複数箇所で検出でき以下のような利点がある。（１）微小流路内を流れる粒子の検出位置を任意に設定することができる。（２）微小流路内の複数箇所で粒子の位置を、流路と深さ方向に検出できる。（３）微小流路内の粒子の検出位置を複数箇所で検出できる。（４）流路方向のみならず流路の奥行き（幅）方向に亘って位置を検出できる。（５）光学素子を基板上の光路に形成することができる。（６）同時に複数箇所で粒子の位置を検出でき、時間の経過で粒子の動きが分る。（７）粒子の奥行き（幅）方向の位置検出の精度を上げることができる。
【００７４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は微小流路を流れる粒子を検出する粒子検出センサ等に適用でき、特に、バイオテクノロジーなどの分野で取り扱われる卵子や細胞を検出する粒子検出センサ等に適用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１ａ、１ｂ、１０ａ〜１０ｃ、１１ａ〜１１ｃ  光ファイバ
２  ＰＤＭＳ
３  微小流路
４ａ  吸引口
４ｂ  排出口
５  カバーガラス
６  粘着シート
７  接着剤
７ａ  ポリマー
８  基板
９、９ａ、９ｂ  粒子
１０、２１ａ〜２１ｃ  光源
１２  中心軸
１３  集光面
１４、１５  領域
１４ａ、１５ａ  検出領域
１６  ハーフミラー
１７ａ〜１７ｃ  検出器
１８  レンズ
２０  方向性結合器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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